环境微生物学讲义4

微生物在生态系统中的地位 生态系统： 生态系统：
物质循环
生物群落
能量流动 生产者（ ）：从无机物合成有机物 生产者（producer）：从无机物合成有机物 ）：
非生物环境
消费者(consumer)：利用有机物进行生活，一般不能将有 ：利用有机物进行生活， 消费者 机物直接分解成无机物 分解者(decomposer)：分解有机物成无机物 ： 分解者
（三）简单有机物的无氧分解及甲烷的形成
简单有机物在缺氧条件下由厌氧菌或者兼性厌氧菌通过发酵作用 或者无氧呼吸进行分解，生成有机酸、醇类、酮、醛等未完全氧 化产物
含碳有机物的好氧分解一般途径
多 糖 类 单 糖 类 脂肪类 甘油+脂肪酸类 蛋白质类 氨基酸类 木质类 芳香族单体
丙 酮 酸 乙酰CoA TCA循环 CO2+H2O+NH3
环境微生物学
Environmental Microbiology
郑州大学生物工程系 席 宇
第四章 微生物与生物地球化学循环
主 要 内 容
1.微生物与碳循环 微生物与碳循环 2.微生物与氮循环 微生物与氮循环 3.其他无机元素的生物循环与转化 其他无机元素的生物循环与转化 4.微生物元素循环对环境造成的污染和危害 微生物元素循环对环境造成的污染和危害
(dissimilatoty nitrate reduction)
指硝酸离子作为呼吸链的末端电子受体从而被还原为亚硝酸的反 硝酸离子作为呼吸链的末端电子受体从而被还原为亚硝酸的反 作为呼吸链的末端电子受体从而被还原为亚硝酸 应。
7.反硝化作用 反硝化作用(denitrification) 反硝化作用
3.硝酸盐同化作用 硝酸盐同化作用(assimilatory nitrate reduction) 硝酸盐同化作用
几乎一切绿色植物和多种微生物都可利用硝酸盐作氮素营养源， 几乎一切绿色植物和多种微生物都可利用硝酸盐作氮素营养源，在 硝酸盐作氮素营养源 利用过程中，硝酸盐被重新还原成NH4后再被利用于合成各种含有 后再被利用于合成各种含有 利用过程中，硝酸盐被重新还原成 氮机物，这就是硝酸盐的同化作用。 氮机物，这就是硝酸盐的同化作用。
2.硫循环（sulphur cycle)
自然界的硫元素一般以以下几个形态存在
S2- :如H2S ，R-SH S0：元素S S S4+: 如SO2，SO32S6+: 如SO42-
3.磷的循环 磷的循环(phosphorus cycle) 磷的循环
在生物圈中，磷元素是比较稀缺的。 在生物圈中，磷元素是比较稀缺的。 磷在一切生命形式中都是极其重要的元素。 磷在一切生命形式中都是极其重要的元素。 在生物体中，它经常以磷酸状态存在。 在生物体中，它经常以磷酸状态存在。 细胞内磷含量最多的成分是RNA分子。DNA、 分子。 细胞内磷含量最多的成分是 分子 、 ATP和细胞膜上的磷脂等都是重要的含磷有机 和细胞膜上的磷脂等都是重要的含磷有机 物。
自然界的生物地球化学循环： 自然界的生物地球化学循环： 生物地球化学循环
Biogeochemical cycle
在自然界中，生物所需要的各种化学元素， 在自然界中，生物所需要的各种化学元素，通过 生物的生命活动， 生物的生命活动，一方面合成有机物质组成生命 体；另一方面这些有机物又被分解成无机物而返 回自然界。由此，元素不断的在生命物质状态和 回自然界。由此，元素不断的在生命物质状态和 生命物质状态 非生命物质状态之间循环 之间循环， 非生命物质状态之间循环，组成地球上的物质循 生物地球化学循环。 环，即生物地球化学循环。
微生物可以在多个方面但主要作为分解者而在生态系统中起重要作用
微生物在生态系统中的地位
1、微生物是有机物的主要分解者； 微生物最大的价值也在于其分解功能。它们分解生物圈内存在 2、微生物是物质循环中的重要成员； 的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成最简单 的无机物，再供初级生产者使用。 微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微 3、微生物是生态系统中的初级生产者； 生物的作用。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起 光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具 主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而 4、微生物是物质和能量的贮存者； 有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、 有的是循环中的关键过程，起关键作用。 无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又 微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命 5、微生物在地球生物演化中的作用； 可以在食物链、食物网中流动。 有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量 微生物是最早出现的生物体，并进化成后来的植、动物作准备。 的物质和能量。 藻类的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物 出现打下基础。
1
大气中的CO2 大气中的
光 合 作 用 微 生 物 降 解 物 呼 吸 作 微 生 物 降 解 用
水土及沉积物 中的 物
物
的
物的
2、微生物与含碳有机物的分解 （一）复杂有机物分解为简单有机物
微生物分泌胞外酶类使基质分解为简单的可溶性有机物后吸收到 体内加以利用。
（二）简单有机物的有氧分解
简单的有机物被各类好氧和兼性厌氧的微生物吸收到细胞后在有氧 过程中彻底氧化为CO2和H2O或者不完全氧化生成有机酸类。
4.氨化作用 氨化作用(ammonification) 氨化作用
即含氮有机物经微生物的分解产生氨的作用 含氮有机物经微生物的分解产生氨 经微生物的分解产生 含氮有机物主要是蛋白质、尿素、 含氮有机物主要是蛋白质、尿素、尿酸和几丁质等
5.铵盐同化作用 铵盐同化作用(assimilation of ammonium) 铵盐同化作用
目前已经确定固氮微生物的包括古细菌、真细菌、 目前已经确定固氮微生物的包括古细菌、真细菌、放 线菌和蓝细菌等， 线菌和蓝细菌等，至今还未发现能固氮的真核微生物
2.硝化作用 硝化作用(nitrification) 硝化作用
即在土壤或水体中的氨态氮经化能自养细菌的氧化， 即在土壤或水体中的氨态氮经化能自养细菌的氧化， 氨态氮经化能自养细菌的氧化 而成为硝酸态氮的过程。 硝酸态氮的过程 而成为硝酸态氮的过程。 硝化作用分两个阶段进行
反硝化作用是使土壤中氮素损失的重要原因之—。 反硝化作用是使土壤中氮素损失的重要原因之 。 水生反硝化细菌可以用于去除污水中的硝酸盐
8.亚硝酸氨化作用 亚硝酸氨化作用 亚硝酸通过异化性还原可以经羟氨而转变成氨 亚硝酸通过异化性还原可以经羟氨而转变成氨，这就 通过异化性还原可以经羟氨而转变成 叫亚硝酸氨化作用
由所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐作为营养 由所有绿色植物和许多微生物进行的以铵盐作为营养，合成氨基酸 铵盐作为营养， 蛋白质、核酸和其他含氮有机物的作用，称为铵盐同化作用。 含氮有机物的作用 、蛋白质、核酸和其他含氮有机物的作用，称为铵盐同化作用。
6.异化性硝酸盐还原作用 异化性硝酸盐还原作用
亚硝化细菌
氨
亚硝酸
硝化细菌
硝酸
硝化作用是氮循环不可缺少的一环， 硝化作用是氮循环不可缺少的一环，但对农业生 产并无多大利益 多大利益。 产并无多大利益。 有时反而会造成氮肥的流失和水体的富营养化. 有时反而会造成氮肥的流失和水体的富营养化 由于硝化细菌的作用， 由于硝化细菌的作用，能使硫酸铵转变为硝酸 和硫酸，从而增加环境的酸性。 和硫酸，从而增加环境的酸性。
一、碳素的生物循环（carbon cycle） 碳素的生物循环（ ）
碳是构成生物体的主要元素，占生命物质总量的25%。 碳是生物体最重要的一种元素，没有碳就没有生命。 自然界的碳循环主要包括空气中CO2经光合作用形成有机 物，以及有机物被分解为CO2回归到大气中 把CO2转变为有机物的过程为碳素同化作用 碳素同化作用 有机物分解为无机碳的过程为碳素异化作用 碳素异化作用 碳循环是自然界最基本的物质循环 碳循环是自然界最基本的物质循环 最基本
的 产 生 化 合 物 的 厌 氧 分 解 和 甲 烷 碳 机
有
微生物分解有机物的作用总括如下： 微生物分解有机物的作用总括如下： 复 杂 有 机 物
微生物
简 单 有 机 物
微生物
CO2+H2O
微生物
CO2 H2O H2 CH4 H2S 有机 物
石油勘探与碳素循环
厌氧条件下未彻底分解的有机物积累， 厌氧条件下未彻底分解的有机物积累，经地质学 过程变为煤、石油等而脱离碳循环。 过程变为煤、石油等而脱离碳循环。人类将之开 采出来，用作燃料、化工原料等， 采出来，用作燃料、化工原料等，从而使它们重 新加入碳循环。 新加入碳循环。
一、是分子态氮（N2），存在于大气中 分子态氮（ ），存在于大气中 二、有机氮化物（蛋白质、核酸和其他有机氮化合物） 有机氮化物（蛋白质、核酸和其他有机氮化合物） 三、是铵盐、硝酸盐等无机态氮化物（NH4 +，NO3- ） 是铵盐、硝酸盐等无机态氮化物（ 无机态氮化物
自然界的氮素循环的主要转化过程： 自然界的氮素循环的主要转化过程： 1.生物固氮作用（biological nitrogen fixation） 生物固氮作用（ 生物固氮作用 ）
微生物与水环境中的氮素循环
Question Imagine that you are an atom of nitrogen. Find a comfortable spot on the chart below and enjoy migrating throughout the ecosystem.
又称脱氮作用,广义的反硝化作用是指由硝酸还原成 又称脱氮作用 广义的反硝化作用是指由硝酸还原N 的过程， 一步还原成 2的过程，因而把异化性硝酸盐还原作用也包括 在内了。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成N 的过程。 在内了。狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成 2的过程。